Dielectrische gassen

Dielectrische materialen zijn in essentie basisch en zuiver elektrische isolatoren. Door een zinnig elektrisch veld toe te passen, kunnen de dielectrische gassen gepolariseerd worden. Vacuüm, vaste stoffen, vloeistoffen en gassen kunnen dienen als dielectrisch materiaal. Een dielectrisch gas wordt ook wel een isolerend gas genoemd. Het is een dielectrisch materiaal in gasvorm dat elektrische ontlading kan voorkomen. Droge lucht, zulfuurhexafluoride (SF6) enzovoort zijn voorbeelden van gasvormige dielectrische materialen.
Gaseuze dielektrica zijn niet praktisch vrij van elektrisch geladen deeltjes. Wanneer een omringend elektrisch veld wordt toegepast op een gas, worden vrije elektronen gevormd. Deze vrije elektronen worden door de elektrische druk versneld van kathode naar anode.

Wanneer deze elektronen voldoende energie hebben om de elektronen van de gas atomen of moleculen weg te slaan en daarna de elektronen niet meer gebonden zijn aan de moleculen, begint de elektronconcentratie exponentieel te toenemen. Hierdoor treedt een doorbraak op. Sommige gassen zoals SF6 zijn sterk gebonden (de elektronen zijn sterk verbonden met het molecuul), sommige zijn zwak gebonden, bijvoorbeeld zuurstof, en sommige zijn helemaal niet gebonden, bijvoorbeeld N2. Voorbeelden van dielectrische gassen zijn Ammoniak, Lucht, Koolstofdioxide, Zulfuurhexafluoride (SF6), Koolstofmonoxide, Stikstof, Waterstof enz. De vochtinhoud in dielectrische gassen kan de eigenschappen veranderen om een goede dielektricus te zijn.

Doorbraak in Gassen

Het is eigenlijk een daling in de weerstand van de isolerende gassen. Dit gebeurt wanneer de aangebrachte spanning hoger is dan de doorbraakspanning (dielectrische sterkte). Als gevolg hiervan zal het gas beginnen te geleiden. Dat wil zeggen, er zal een sterke spanningstoename optreden in een klein gebied in het gas. Dit gebied van sterke spanningstoename is de oorzaak van partiële ionisatie van nabijgelegen gas en start de geleiding. Dit wordt doelbewust gedaan in lage-druk-ontladingen (in een elektrostatische neerslagapparaat of in fluorescerende lampen).

De wet van Paschen schatte de spanning die elektrische doorbraak veroorzaakt (V = f(pd)). Het is eigenlijk een vergelijking die de doorbraakspanning beschrijft als functie van het product van druk en klooflengte. Hierbij wordt een curve verkregen, dit wordt de Paschen-curve genoemd. De Paschen-curve voor lucht en argon is weergegeven in figuur 1.
Hierbij neemt de doorbraakspanning af als de druk afneemt en neemt dan geleidelijk weer toe tot boven de oorspronkelijke waarde. Bij standaarddruk neemt de doorbraakspanning met de klooflengte af tot een bepaald punt.

Wanneer de klooflengte verder wordt verkleind, neemt de doorbraakspanning toe en overschrijdt uiteindelijk de oorspronkelijke waarde. Bij hoge druk en verhoogde klooflengte is de doorbraakspanning meer of minder evenredig met het product van de twee. Dit is ongeveer evenredig vanwege elektrode-effecten (microscopische oneffenheden van elektroden kunnen doorbraak veroorzaken). De doorbraakspanning van dielectrische gassen is ook ongeveer evenredig met de dichtheid.

Mechanisme van doorbraak

Het mechanisme van doorbraak hangt direct af van de aard van de dielectrische gassen en de elektrode-polariteit waarbij de doorbraak begint. Als de doorbraak begint bij de kathode, dan wordt de initiële elektronenvoorziening geleverd door de elektrode zelf. Dan worden de elektronen versneld, ontstaat een groot aantal elektronen en leidt dit tot doorbraak. Als de doorbraak begint bij de anode, dan wordt de initiële elektronenvoorziening geleverd door het gas zelf. Bijvoorbeeld lucht en SF6 gas. Een klein, scherp punt in een gas kan ook de oorzaak zijn van doorbraak van het gasgat. Dit gebeurt als gevolg van stapsgewijze doorbraakprocessen. Coronavorming (dat wil zeggen corona-ontlading) kan hiermee verband houden. Het is eigenlijk een korte energieafgifte (ontlading) en resulteert in zwak geïoniseerde gaskanalen. Wanneer het veld te hoog is, zal een van deze kanalen geleiden.

Eigenschappen van dielectrische gassen

De gewenste eigenschappen van een uitstekend gasvormig dielectrisch materiaal zijn als volgt

• Uitstekende dielectrische sterkte.

• Goede warmteoverdracht.

• Brandbestendig.

• Chemische inertie tegenover het gebruikte constructiemateriaal.

• Inerte eigenschappen.

• Milieuvriendelijk en niet giftig.

• Lage condensatiestemp